NVIDIA Clara医疗成像AI模型在MD.ai项目中的应用

　　使用 NVIDIA Clara 构建的医疗成像 AI 模型现在可以在云计算的 MD.ai 上本地运行，从而使用现代 web 浏览器实现协作模型验证和快速注释项目。这些 NVIDIA Clara 模型可免费用于任何 MD.ai 合作研究项目，如器官或肿瘤分割。

　　人工智能解决方案已被证明有助于简化放射学和企业成像工作流程。然而，创建、共享、测试和缩放计算机视觉模型的过程并不像所有模式、条件和结果那样简化。需要几个关键组件来创建稳健的模型，并支持最多样化的采集设备和患者群体。这些关键组件可以包括为未注成像研究创建基本事实的能力，以及在全球范围内合作评估模型与验证数据的使用的能力。

　　MD.ai 的实时协作标注平台和英伟达 Clara 深度学习培训框架有助于创建更健壮的模型构建和协作。

　　在这篇文章中，我们将介绍 Clara Train MMAR 的基础知识，以及准备使用 MD.ai 所需的步骤。只需几个步骤，您就可以在 MD.ai 上部署这些预训练模型中的任何一个，以实现无缝的基于 web 的评估和协作。在 MD.ai 上部署之后，这些模型可以用于任何现有或新的 MD.ai 项目。

　　

图 1 。培训和验证 AI 模型所需的工作流程 。

　　NVIDIA Clara Train

　　Clara 训练框架是一个基于 Python 的应用程序包 NVIDIA Clara Train SDK. 该框架旨在基于 NVIDIA 研究人员内部构建的优化、即用、预训练的医学成像模型，在医学成像领域快速实施深度学习解决方案。

　　Clara 培训框架使用模型的标准结构 医学模型档案 （ MMAR ），其中包含预培训模型以及定义用于培训、微调、验证和推理的端到端开发工作流的脚本。

　　

图 2.Clara Train SDK 和 MONAI 深度学习框架高级架构。

　　Clara Train v4.0 + SDK 使用基于组件的体系结构，该体系结构构建于基于 PyTorch 的开源框架 MONAI （人工智能医疗开放网络） 。 MONAI 提供了医疗成像领域优化的基础功能，可用于在本机 PyTorch 范式中构建培训工作流。 Clara Train SDK 使用这些基础组件（如优化的数据加载程序、转换、丢失函数、优化器和度量）来实现打包为 MMAR 的端到端培训工作流。

　　MD.ai

　　MD.ai 提供了一个基于 web 的云本地注释平台，支持临床医生和研究人员团队之间通过共享工作空间进行实时协作。您还可以加载多个深度学习模型以进行实时评估。

　　该平台为数据集构建和 AI 项目创建提供了一个简单无缝的界面。它为用户提供了一套广泛的工具，用于注释数据和构建机器学习算法，以加速人工智能在医学中的应用，特别关注医学成像。

　　

图 3 。显示大脑分割的 MD.ai 用户界面 。

　　将此功能与在 MD.ai 平台上快速部署 Clara 训练模型 MMAR 的能力相结合，可以为您提供一个端到端的工作流，该工作流涵盖快速模型开发、模型训练、微调、推理以及快速评估和可视化。这种端到端的能力简化了模型从研发到生产的过程。

　　解决方案概述

　　Clara Train 的起点是NGC Clara Train 采集。 在这里，您可以找到 Clara Train SDK 容器、一组免费提供的、经过预训练的模型，以及一组 Jupyter 笔记本电脑，其中介绍了 SDK 的主要概念。所有 Clara Train 模型共享前面提到的 MMAR 格式。

　　Clara Train MMAR 定义了一个标准结构，用于存储定义模型开发工作流所需的文件，以及执行模型进行验证和推断时生成的文件。该结构定义如下：

ROOT config config_train.json config_finetune.json config_inference.json config_validation.json config_validation_ckpt.json environment.json commands set_env.sh train.sh train with single GPU train_multi_gpu.sh train with 2 GPUs finetune.sh transfer learning with CKPT infer.sh inference with TS model validate.sh validate with TS model validate_ckpt.sh validate with CKPT validate_multi_gpu.sh validate with TS model on 2 GPUs validate_multi_gpu_ckpt.sh validate with CKPT on 2 GPUs export.sh export CKPT to TS model resources log.config ... docs license.txt Readme.md ... models model.pt model.ts final_model.pt eval all evaluation outputs: segmentation / classification results metrics reports, etc.

所有提供用于 Clara Train 的预训练模型，以及使用 Clara Train 框架开发的自定义模型都使用此结构。为了准备与 MD.ai 一起使用的 MMAR ，我们假设一个预先训练的模型，并将重点放在部署的几个关键组件上。

第一个组件是 environment.json 文件，它定义了模型的公共参数，包括数据集路径和模型检查点。例如， Clara 序列分段任务中的 environment.json 文件定义了以下参数：

{ "DATA_ROOT": "/workspace/data/Task09_Spleen_nii", "DATASET_JSON": "/workspace/data/Task09_Spleen_nii/dataset_0.json", "PROCESSING_TASK": "segmentation", "MMAR_EVAL_OUTPUT_PATH": "eval", "MMAR_CKPT_DIR": "models", "MMAR_CKPT": "models/model.pt" "MMAR_TORCHSCRIPT": "models/model.ts"
}

准备与 MD.ai 集成的模型时，请确保 MMAR 的models/目录中包含经过培训的MMAR_CKPT和MMAR_TORCHSCRIPT。它们分别通过执行捆绑的train.sh和export.sh生成。

• train.sh脚本执行模型训练，这需要输入数据集使用DATA_ROOT和DATASET_JSON，并生成 MMAR _ CKPT 。
• infer.sh脚本将此检查点序列化到用于推断的MMAR_TORCHSCRIPT中。

对于预训练模型，提供了检查点和 TorchScript ，您可以关注推理管道。使用 MMAR 的infer.sh脚本执行推断：

1 #!/usr/bin/env bash
2 my_dir="$(dirname "$0")"
3 . $my_dir/set_env.sh
4 echo "MMAR_ROOT set to $MMAR_ROOT"
5
6 CONFIG_FILE=config/config_validation.json
7 ENVIRONMENT_FILE=config/environment.json
8 python3 -u -m medl.apps.evaluate \
9 -m $MMAR_ROOT \
10 -c $CONFIG_FILE \
11 -e $ENVIRONMENT_FILE \
12 --set \
13 DATASET_JSON=$MMAR_ROOT/config/dataset_0.json \
14 output_infer_result=true \
15 do_validation=false

　　此脚本对environment.json中定义的完整数据集的config_validation.json中定义的验证子集进行推断。如果参考测试数据随 MMAR 一起提供，则必须定义该数据的路径。集成 MMAR 时， MD.ai 直接处理数据集，这些值作为集成的一部分被覆盖。

　　要在 MD.AI 上部署您自己的预训练 AI 模型进行推理，您必须已经有一个现有项目或在平台上创建一个新项目。项目还必须包含用于测试模型的数据集。有关更多信息，请参阅 立项 。

　　接下来，要部署 AI 模型，必须将推理代码转换为与平台兼容的特定格式。以下文件是成功部署的最低要求：

　　config.yaml

　　mdai_deploy.py

　　requirements.txt

　　model-weights

　　对于 NVIDIA Clara 型号，我们已为您进一步简化了此功能，无需从头开始编写这些文件。我们为 NGC 目录支持的每个不同类别的深度学习模型提供了框架代码：分类、分段等。您可以下载特定于模型的框架代码，进行一些调整，这些调整将在本文后面介绍，然后将模型上传到 MD.ai 上进行推断。

　　推理步骤

　　准备好 MMAR 后，下面介绍如何直接使用它在 MD.ai 上运行模型。这篇文章将引导您了解一个已经部署在平台上的示例细分模型 在 MD.ai 上运行分段模型的框架代码 ，它实际上是 NVIDIA 的 CT spleen segmentation 模型的代码。

　　现在，要使用相同的 MMAR 格式部署 肝脏和肿瘤分割 模型，请执行以下步骤：

1. 下载 分割模型的框架代码 。
2. 从 NGC 目录下载 用于肝脏和肿瘤分割模型的 MMAR 。
3. 在下载的框架代码中，用下载的 MMAR 文件夹替换/workspace/clara_pt_spleen_ct_segmentation_1文件夹。
4. 在/workspace/config_mdai.json文件中，进行以下更改：

1 {
2 “type” : “segmentation”,
3 “root_folder”: “clara_pt_spleen_ct_segmentation_1”,
4 “out_classes” : 2,
5 “data_list_key”: “test”
6 }

• root_folder – 将此键值替换为下载的 MMAR 文件夹的名称，例如肝脏和肿瘤示例的 clara _ pt _ liver _和_ tumor _ ct _ segmentation _ 1 。

• out_classes – 将此值替换为模型的输出类数，如本例中的 3 （背景： 0 、肝脏： 1 和肿瘤： 2 ）。

• data_list_key – 替换为 MMAR 的 config / config _ interference.json 文件的 data _ list _ key 属性中提到的密钥名称，例如 testing 。

5. 在/mdai文件夹中，进行以下更改：

• 在config.yaml文件 , 中，将clara_version键更改为您的模型使用的适当版本（例如， 3.1.01 或 4.0 ）。

1 base_image: nvidia
2 clara_version: 4.0
3 device_type: gpu

• 在[EZX29 ] , 中添加了任何额外的依赖项，比英伟达 Clara 基本图像和文件中已经存在的那些依赖性要多。

　　这将为您的模型在 MD.ai 上的部署做好准备。脾脏和肝脏肿瘤分割模型都已部署在 MD.ai 平台上，并且是 可供评估 。

　　分类模型也可以执行类似的步骤，尽管我们正在努力进一步简化这种集成。有关将胸部 X 光分为 15 种异常的示例 NVIDIA 模型的骨架代码，请参见 GitHub 上的 示例：用于胸部 x 光疾病分类的 NVIDIA MMAR 。该型号也是 部署在公共站点上 。

　　当代码准备就绪时，必须将其包装在 zip 文件中，以便将其上载到 MD.ai 上进行推断。

　　您的模型现在可以在 MD.ai 中对您选择的任何数据集进行尝试了！

　　最好的是，所有模型只需在MD.ai平台上部署一次。一旦NVIDIA Clara 模型部署到MD.ai上，它就可以通过使用模型克隆功能在任何MD.ai项目中使用。下面是一个例子，通过复制［EZX37 ］值，将英伟达肝分割模型克隆为一个新的MD AI项目：

图 5 。基于 MD.ai 的模型克隆工作流 .

　　未来特征

　　我们正致力于简化集成，以尽量减少部署 MMAR 所需的步骤，并计划消除所有代码修改，以便只需单击一个按钮即可轻松部署。

　　MD.ai 计划预先部署 NGC 上可用的所有模型，以便您可以通过从我们的公共项目克隆直接使用它们，从而避免您自己部署 MMAR 的过程。我们还将创建 NVIDIA Clara 入门包，这样您就可以轻松地开始使用预装到项目中的选定型号。

　　另一个重要的计划是增加对在 MD.AI 上训练 AI 模型的支持。当我们有了这个平台，您可以有效地使用英伟达 AI 辅助注释产品在平台上帮助用户注释得更快更容易，而不是从头开始。

　　总结

　　在本文中，我们重点介绍了每个平台的关键组件以及在 MD.ai 上快速部署使用 NVIDIA Clara 构建的医疗成像模型所需的步骤。

　　关于作者

　　Chinmay Singhal 是 MD.ai 的机器学习工程师。他的工作围绕 MD.ai 机器学习模型部署平台的设计和开发展开。他在纽约大学获得了数据科学硕士学位，专注于深度学习。

　　Leon Chen 是 MD.ai 的联合创始人兼首席执行官，负责构建医疗 ai 的未来 IDE 。他是哈佛大学培训的内科医生、 Kaggle 硕士、 Keras.js 等流行开源软件的创造者和电子音乐家。

　　Kris Kersten 是 NVIDIA 的解决方案架构师，专注于 AI ，致力于扩展 ML 和 DL 解决方案，以解决当今医疗领域最紧迫的问题。在加入 NVIDIA 之前， Kris 曾在 Cray 超级计算机公司工作，研究从低级缓存基准测试到大规模并行模拟的硬件和软件性能特征。

　　审核编辑：郭婷